是年九月，后党加快了政变步伐。怀塔布、杨崇伊衔慈禧之命赴天津与荣禄密谋，预定十月底慈禧、光绪同赴天津阅兵时，发动政变，废黜光绪帝，捕杀维新派人士。风声日紧，形势十分危急，康有为急向光绪帝进策：一、仿照日本设立参谋部，收回军权，皇帝自为海陆军大元帅；二、改元为维新元年，断发易服，以示变法决心；三、迁都上海，摆脱后党圈禁。同时又深感武装的重要，便把希望寄托于拥有7000人重兵并曾加入强学会的袁世凯身上。康有为先派亲信弟子徐仁禄到小站探察，获息袁世凯表示拥帝，致使康有为、谭嗣同认为“可救上者只此一人”，于是就密奏光绪帮结袁以备不测。九月十六日、十七日，光绪帝两次召见袁世凯，破格赏以侍郎候补。专办练兵事务；面谕袁“与荣禄各干各事”使其不受掣肘。然而，袁世凯在光绪帝召见之后，便立即去辞谒军机大臣裕禄、刚毅、王文韶，乞求宽谅。九月中旬，光绪帝已感大祸临头，先于十三日向康有为等下密诏，称“今朕位几不保，汝康有为、杨锐、林旭、谭嗣同、刘光等等，可妥速密筹，设法相救”。由于杨锐带此密诏不敢传出，光绪帝不见康有为等回音，就于十七日又密谕康有为出逃，前往上海督办官报，“将来更效驰驱，共建大业”。第二天，康有为从林旭处得两密诏后，立即召集谭嗣同、梁启超、康广仁、徐世昌等在南海会馆共商对策，大家见面后抱头痛哭，一筹莫展，最后决定孤注一掷，由谭嗣同携密诏去劝说袁世凯举兵勤王。当日深夜，谭嗣同赴袁世凯寓所法华寺，请袁起兵杀荣禄、围慈禧太后所居颐和园，实行兵谏，以此来保卫光绪帝执政。袁世凯佯作许诺，正色厉声表示竭死力救“圣主”，“诛杀荣禄如杀一狗耳！”九月二十日，袁世凯请训回天津，光绪帝赐密诏，命其保护新政。袁世凯再表“忠心”，但是当他回天津后，立即向荣禄告密，表示要为“缉捕奸谋，效忠太后”尽力。
当袁世凯应召从津赴京陛见时，后党就立即调聂士成5000人兵力开赴天津陈家沟一带布防，切断了北京与小站间通道。九月十八日，董福祥甘军开进北京城，扬言京师有大变。九月十九日，慈禧太后自颐和园赶回紫禁城。九月二十一日凌晨，慈禧发动宫廷政变，幽禁光绪帝于中南海瀛台，并用光绪帝名义发布上谕，“再三吁恳慈恩训政”，宣布慈禧重新“垂帘听政”，下令废除变法法令。九月二十二日，荣禄派兵3000人在京城搜捕维新派和帝党人士。政变前后，维新派曾议定由李提摩太（英传教士）、容闳、梁启超分别去见英、美、日三国公使，求其设法救助光绪帝和维新派，结果都落空。康有为得到英国保护，逃奔香港，后去日本；梁启超得到日本保护，逃至日本横滨。九月二十八日，谭嗣同、林旭、刘光第、杨锐、杨深秀、康广仁等六人（史称“戊戌六君子”）同时被杀害于北京菜市口。谭嗣同临刑前悲愤喊出“有心杀贼，无力回天”。康有为、梁启超被通缉；维新派官员陈宝箴、江标、黄遵宪等数十人被革职或流放；除京师大学堂外，新政全部废止。戊戌变法失败。
创立京师大学堂
光绪二十二年（1896年）六月十二日，刑部侍郎李端棻上奏光绪帝，提出应自京师以及各省府州县皆设学堂，京师大学惟益加专精。对此光绪帝谕旨：此事由总理衙门妥议。七月，协办大学士孙家鼐奉旨召集有关官员商议办学堂事，强调应以“中学为主，西学为辅；中学为体，西学为用”。为办学方针。并决定于北京西城原同文馆附近买地筹金扩建学舍。光绪二十四年（1898年）二月十五日，御史王鹏运上奏光绪帝再次提出开办京师大学堂。光绪帝下渝：“妥速办理”。六月十一日，光绪帝颁“明定国是”诏，实行变法。随后，命军机大臣和总理衙门妥议开办京师大学堂事。决定由梁启超参考日本和西方各国学制起草《京师大学堂章程》，章程分八章五十二条。规定：京师大学堂的办学方针为：“中学为体，西学为用，中西并用，观其会通”。课程分为普通学和专门学两类。以经学、理学、中外掌故学、诸子学、初级算学、格致学、地理学、文学及体操学为普通学科；以各国语言文学、高等算学、格致学、政治学、地理学、农学、矿学、工程学、商学、兵学、卫生学为专门学科。章程还规定“各省学堂皆归大学堂统辖”。同时提出“宽筹经费”、“宏建学舍”、“慎选管学大臣”、“简派总教习”等建议。七月三日，朝廷批准设立京师大学堂。随后委派吏部尚书、协办大学士孙家鼐为管学大臣，管理大学堂事务。任命张元济为大学堂总办（后又由黄绍箕、余诚格分别继任）。任命朱祖谋、李家驹为提调，许景澄为总教习，刘可毅、骆成骧为教习。原同文馆总教习丁韪良为西学总教习。同时决定将原设官书局和新设译书局并入大学堂。由管学大臣督办。光绪二十四年（1898年）八月九日，京师大学堂正式开学，学员不足百人，多为世家官宦子弟及少数各省中学堂选送的高才生。十二月三十日，又设立师范斋，规定于前三级学生中选其高才生为师范生，专讲教学之法，为以后派往各省学堂充当教习之用。次年九月，又设立史学、地理、政治三学堂。改派许景澄为管学大臣，黄绍箕为总办，刘可毅、骆成骧仍为教习。光绪二十六年（1900年），义和团运动在京津一带兴起，京师大学堂内师生对此议论纷纷。管学大臣许景澄与京官袁昶等力主镇压。不久许以“极谏”围攻使馆和排外宣战的罪名而被清廷杀戮，教习刘可毅也被杀害。消息传来京师大学堂学生四散离去，校舍封闭，藏书损失殆尽。九月，慈禧太后下令停办京师大学堂。
光绪二十八年（1902年）一月七日，慈禧太后从西安返京筹办“新政”。十日，派张百熙为京师大学堂管学大臣，命其修改办学章程，扩大京师大学堂的规模。京师大学堂重新恢复。二月十三日，张百熙奏陈筹备情况：一、准备设预科，预科分政科和艺科两门；设速成科，分仕学馆、师范馆。二、添建讲舍，在原有一百四十余间的基础上添盖一百二十余间。购西城瓦窑地方土地一千三百亩盖房。落成后除预备、速成两科外，新奏旨送大学堂仕学馆学习肄业的进士，附设医学馆的学生一并迁入。三、附设译局，译局由官书局筹办。四、经费：由华俄银行拨发百万，大省每年拨二万；中省一万；小省五千。又决定任命吴汝纶为大学堂总教习，张鹤龄为副总教习，于式枚为总办，李家驹、赵从蕃为副总办。对以上提议慈禧太后加以批准。十月十四日，京师大学堂正式举行招生考试。速成科学生考试科目有史论、舆地策、政治策、交涉策、算学策、物理策及外国文论七门。师范馆由各省选送学生若干，考试科目有：修身伦理大义、教育学大义、中外史学、中外地理学、算学、代数、物理化学、浅近英文、日文等。仕学馆由各省推荐，不参加考试。结果共录取学生92名。后来又扩招九十名。十二月十七日，京师大学堂正式开学。光绪二十九年（1903年）二月，又增设了进士馆、译学馆及医学实业馆。毕业生分别授给贡生、举人、进士头衔。一个月之后北京掀起了拒俄运动，四月三十日，京师大学堂师范馆、仕学馆学生二百余人鸣钟上堂，发起声讨沙俄罪行大会，会后起草《京师大学堂师范、仕学两馆学生上管学大臣请代奏拒俄书》。当晚，部分学生退学参加了抗俄义勇军。
光绪三十四年（1908年）六月，京师大学堂又增设满蒙文学，七月，附设博物品实习科。次年，建立京师大学堂图书馆，清政府将热河文津阁的四库全书拨给京师大学堂图书馆。宣统二年（1910年）改设分科为经、法、文、格致、农、工、商七科。民国一年（1912年）五月三日，袁世凯批准京师大学堂改名为北京大学。
义和团运动
十八世纪末到十九世纪初，兴起于长江以北各省的白莲教大起义和白莲教的支派天理教起义被清廷镇压后，白莲教的各个支系继续斗争，北方几省相继出现了八卦教、红阳教、荣华教等组织，秘密从事反清斗争，其中八卦教影响最大。朝廷规定，传习八卦教者要查拿缉捕，为首者处以死刑，于是八卦教徒便以传习拳术来隐蔽自己。义和团运动便由此萌芽而来。
甲午战争期间，山东沿海民众遭受日军侵略之苦，战争结束后，日军占领了威海卫。三年后，日军撤离，此地又立即被英军强占。不久，德国又占据了胶州湾，并强行把山东划为它的势力范围。光绪二十四年（1898年），英国强行租借威海卫，随之外国教会也随之大批进入山东各地，修建大小教堂1100多座，传教士和教徒发展到八万多人。许多加入教会的地主豪绅，仰仗教会势力，乘多年荒灾之机，囤积居奇，抬高粮价，居众苦不堪言，对之切齿痛恨，多次与教会发生冲突。
当年十月，山东冠义县义和拳在闫书勤带领下，聚众数千人，树起“助清灭洋”的旗帜，占领了梨园屯。第二年，平原县义和拳组织和教会发生冲突，地方官吏派兵镇压，逮捕了数名义和拳成员，于是他们向荏平县义和拳首领朱红灯求救。朱红灯率领几百人的义和拳武装成员赶到平原，与当地义和拳群众会合，使官府十分恐慌。济南知府带兵在平原县与恩县交界的森罗殿与朱红灯的队伍发生争斗。此时，荏平、恩县、长清、高唐等地义和拳纷纷响应，不久，东昌、武定、泰安、济南等地的群众也闻风而动。面对义和拳运动的蓬勃兴起，清朝官吏内大体出现两种倾向，一种是主张立即用武力消灭，一种则主张安抚、收编。山东巡抚张汝梅上奏朝廷，要求采取安抚、收编政策，主张“化私会为公奉，改拳勇为民团”，把拳民编到诸乡团之内。次年二月，毓贤继任山东巡抚，出告示改“拳”为“团”，把参加义和拳的群众称之为“拳民”，允许他们设厂习拳，同时把武装反抗教会的人称为“匪徒”，缉拿惩处，借以安抚义和拳。由此一来，义和拳反倒取得半合法的地位，迅速发展起来，成为一个官方默许的公开团体，“义和团”的名称从光绪二十四年（1898年）春开始逐渐地广为流传起来。
山东义和团的迅猛发展，引起在华各国势力的恐慌。驻扎胶州湾的德国军队出兵到胶州、高密、日照等地，焚毁村庄、抢劫城镇抢杀居民。英、美、意等国驻华公使也向清政府施加压力，要求清廷下令取缔义和团。光绪二十五年（1899年）底，美国公使唐格向总理衙门提出了撤换毓贤的要求，清廷迫于压力，申斥毓贤对义和团镇压不力，将之调任山西巡抚，由袁世凯接任山东巡抚。袁世凯上任后，立即发布了《禁示义和拳匪告示》，不承认义和团具有合法性，规定：不仅练拳，就是赞成义和拳的，都要被杀。随后依仗他统带的武卫右军和扩编的武卫军先锋队马步炮队共二十营兵力，对活动于山东黄河北岸的义和团发起进攻。先后斩杀了王玉振、王文玉、孙洛泉等义和团首领，消灭十多部义和团，光绪二十六年（1900年）春，山东义和团运动告以平息，义和团运动的中心移到了直隶省。
早在两年前，直录南部威县，曲周、景州、阜城义和拳就已经开始活动，许多村庄建立拳厂、练习拳术，并逐渐向北发展。与教会和官兵多次发生冲突。此时，直隶总督裕禄根据上谕发布《严禁义和团》的告示，宣布“招引徒众，私立会合，演习拳棒，均属违禁犯法”，“再有设厂练习拳棒，射利惑民悖事，即由地方官会营捕拿，从严惩办”。此时总理衙门也对此忧心忡忡，电令裕禄，“此事关系紧要，务须赶紧严密查办，免滋事端”。于是裕禄派出官兵，分路对义和团进行镇压。然而，义和团运动不仅没被镇压下去，反而愈演愈烈，势力扩展到直隶全省，直逼京城附近地区，甚至在京城内和直隶总督所在地天津，也已经有自称义和团的人开始活动，沿街练拳，招收徒弟。
消息传到清廷，有官员主张对义和团用兵讨伐极其危险，应采取安抚政策。是年四月初，监察御史郑炳麟上奏，主张在直隶、山东派道府大员当“团练局总办”，选择乡绅做“团总”，收编义和团，把义团改造为官办的团练。这个建议遭到裕禄和袁世凯的反对。一时间清廷陷入对义和团是“剿”还是“抚”的两难境地。
四月初，涞水、定义、新城、涿州、易县等地的义和团同教会势力发生冲突，焚烧了当地的教堂，随后裕禄派军队前往镇压，遭到义和团的顽强抵抗，淮军副将杨福同被打死。裕禄随即又派提督聂士成所部的武卫前军赶去镇压，又遭到义和团的抵抗。义和团以“反洋”的名义破坏了芦保铁路，阻止前来镇压的清军。继而相继焚毁了高碑店、涿州、琉璃河、长辛店、芦沟桥的火车站，京津铁路上的丰台站和机器制造局也被捣毁。五月初，义和团拥进涿州城。
慈禧太后见形势十分紧迫，就派协办大学士刚毅和刑部尚书赵舒翘、顺天府尹何乃莹到涿州方向去进行招抚，向义和团宣布朝廷的“德意”。刚毅等人到涿州一带后，感到义和团势力极大，不能进行剿杀，于是向朝廷报告，主张撤回聂士成的部队，采用劝导、晓喻的办法解散或收编义和团。
正当刚毅等人在涿州一带活动时，京城内的义和团活动越来越频繁，声势也越来越大。小股外县拳民陆续涌人北京城，城内居民也纷纷加入义和团，出现了以义和团名义出现的反对洋人的揭帖，公开设立坛棚，焚烧外国人的教会房屋，并围攻西什库教堂和东交民巷使馆。朝廷屡次下令解散、严禁、缉拿，均无济于事，到了不能控制的局面。与此同时，天津城内义和团活动也十分频繁，烧毁教堂，进攻紫竹林租界，捣毁监狱，释放犯人。这时裕禄不得不改变手段，由高压转为安抚，以总督名义邀请义和团首领张德成，并用轿将他抬到总督衙门。
这年四月，英、美、德、意已派兵船驶入大沽口，随后，英、美、德、法四国公使先后向总理衙门发出照会，要求清政府采取措施迅速剿灭义和团。不久，十一国公使又以外交使团名义照会清政府，要求严禁团民练拳设堂，传布揭帖，并命令各国的大沽口的海军准备登陆。五月二十八日，驻北京的各国公使举行会议，决定立即以保护使馆的名义调兵来北平，并将此决定通报给总理衙门。经过一番交涉后清政府退步了，经慈禧太后批准，总理衙门同意各国立即派兵入京，要求兵数少一些，随后又通知裕禄，为从塘沽登陆经津入京的外国军队准备火车。几天后，英、俄、德、法、日、美、意、奥等国海军陆战队四百五十人，分两批到达北京，另一支外国联军六百多人，由塘沽登陆开进天津。六月十日，八国联军二千多人，在英国海军中将西摩尔的率领下，由天津向北京进发。裕禄虽想阻止他们，但联军仍然取得了所需的机车和车厢，开始了八国联军侵华战争。一路上，联军遭到义和团的反抗。义和团拆毁铁路，致使联军四天里才走了一半路。抵达廊坊。一天早晨，义和团在廊坊车站袭击联军，几天后又再次袭击。此时去往北京的铁路已被破坏，联军只好退回天津。